基于数字钟的PCB设计(完整资料)

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基于数字钟的PCB设计(完整资料）(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）毕业设计成果(方案）设计题目：基于数字钟的PCＢ设计院系航空电子电气工程学院专业航空电子信息技术班级电信13０2学号201３00022036姓名周玉栋指导老师鄢立诚信声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计，是本人在指导老师的指导下,独立进行所取得的成果.尽我所知，除设计中特别加以标注的地方外，设计中不包含其他人已经发表或撰写过的设计成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名：周玉栋指导教师签名:鄢立TOC\o＂1-3"\h\u1。设计任务与要求ＰAGＥＲＥＦ_Ｔoc２30３5１HYPERLＩNK\l_Ｔoc1５3９51．1设计任务PAＧEＲEF_Toc15395１1。2设计思路ＰAGEＲEF_Toc315441ＨYPERLINK\l_Toc142971。３系统框图ＰAGＥＲＥF_Toc142971ＨYPEＲLINＫ\l_Ｔoc120２32。硬件原理图设计PAGＥRＥＦ＿Toc120２32HYPERＬINK\l_Tｏc237542.１单片机引脚PＡGＥREF_Ｔoｃ2３７542HＹＰERＬＩNK\l_Ｔoc287３２。２单片机最小系统PAGEＲEF_Toc２８7332.3DS1302应用PＡGEREF＿Toc173824ＨYPERLＩNK\l_Toc19169２.4时钟芯片及电路流程图PＡGEREF_Ｔｏc191６942.5数码管显示PAGERＥF_Tｏc２7６7７６２。６整体原理图PAGEREＦ＿Ｔoc19０23６3．ＰCBHYPＥRLINＫ\l_Ｔoc３192９设计与开发工具ＰＡＧEＲＥF_Toc3１929７3。1PCＢ简介PAGEＲＥＦ_Toc11481７3.2PCＢ的特点PAGEＲEＦ_Ｔoc1402２7ＨYPＥRLINK\l_Toc１40223.3DＸP设计平台PAGＥREF＿Ｔoc140２274。数字钟的ＰCB设计流程PAGEREF＿Toc397１９ＨYPERLＩNK\l_Toｃ2２７6７4。１新建PCＢ工程PAＧEREF_Ｔｏc227６7９4.2原理图元件的绘制PAGEREF_Toｃ721７1０4。３封装库设计PAGＥREF＿Toｃ２5７4１1２4．４绘制原理图PAＧＥRＥF＿Tｏｃ1７15３164.５原理图的PCB设计PAGERＥF＿Toｃ305２4１8HYPＥRＬINＫ\l_Tｏｃ1873７4．6生成ＰＣBPAGEＲEＦ_Ｔoc１８73719４．7布线PAGERＥF_Ｔoc１３0９６2０总结ＰAGEREF_Ｔｏｃ2７37221HＹPERＬINK\l_Ｔｏc2038参考文献PAGEREＦ_Toc20382２摘要本设计针对数字钟PＣB板设计较为复杂的问题，利用国内知名度较高、应用最广泛的电路辅助设计软件ＤXP进行了电路板的设计。本设计介绍了各部分电路的构成及准确完成了数字钟的PCB设计。本设计数字钟原理图分析入手,说明了在平台中完成原理图设计,电气检测,网络表生成,ＰCＢ设计的基本操作程序.数字钟的主要电路是由电源电路、显示电路、校时电路、晶体振荡电路组成。PCＢ是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的提供者。PCB的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。关键词：数字钟；PCB;原理图；ＤＸP设计任务与要求设计任务选择合理的元器件原理图组成数字钟电路,用软件画出整个电路，对于电路元件集成库中没有的元器件需要自己画出元件原理图进行封装再添加到系统元件集成库中，生成元件清单,完成PCB原理图绘制.设置好PCＢ图的向导文件,进行PCB板规划，选择好PCB的版图将绘制好的原理图导入到PCB图中再将元器件进行连线、布局，完成PCＢ印制板的设计.设计思路单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备结合,便可成为一个单片机控制系统。因此用AT８９C51单片机作控制,对计时器件ＤS13０2采用字节读写模式;写入时分秒寄存器控制字,读出时分秒时间数据并处理后,用数码管器件显示;2×2矩阵键盘作为时间调整按键.系统框图数字钟的主要电路是由时钟电路、主控制板、显示电路、按键扫描电路组成。数字钟电路组成原理图如图1-1所示。图１—１数字钟结构主体框图系统原理图设计单片机引脚AT8９C５１单片机为40引脚的集成芯片VCC（４０）：供电电压，其工作电压为５V.GＮD（20）:接地。AＴ8９C51有４个８位并行I/O接口,共３2条I／O线。分别是P０.0～P0．7；P1。0~P1.7;P2.0～Ｐ２。7；Ｐ3．0～P3．7。P1、P２、P３内置上拉电阻;Ｐ0口需要外接１0KΩ左右的上拉电阻。Ｐ０～P3口作为输入口时，必须先写“１”。ALＥ/PROG（3０）：当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地低位字节.在FＬASＨ编程期间，此引脚用于输入编程脉冲.在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的１/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如果想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVＸ,MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高.如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，则置位无效。ＰSEN(2９)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PＳEＮ有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PＳEＮ信号将不出现.EＡ／VPP(３1）：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（０000H-FＦFFＨ），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为REＳET；当EＡ端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLAＳＨ编程期间,此引脚也用于施加1２V的编程电源（VＰP)。XTAL1（1９）:来自反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTＡＬ2(１8):来自反向振荡器的输出。其引脚图如图２－２所示。图2—２AT89C51引脚图单片机最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路.如图2－1所示.图2－1单片机最小系统复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变＂的性质可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平，并且,这个高电平持续的时间由电路的RＣ值来决定。典型的51单片机当RＳT脚的高电平持续两个机器周上就将复位,所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐Ｃ取１0u，Ｒ取8。2K.当然也有其他取法的,原则就是要让ＲC组合可以在基于单片机数字钟的设计。ＲＳT脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。晶振电路：典型的晶振取１1.0592MＨz（因为可以准确地得到9600波特率和1920０波特率,用于有串口通讯的场合)/１2MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作）特别注意：对于31脚（EA/Vpp）,当接高电平时,单片机在复位后从内部ＲOM的00０0H开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部ROM的０000H开始执行。时钟芯片及其读写电路时钟芯片ＤS１302是美国ＤALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片,附加31字节静态RAＭ，采用SPＩ三线接口与ＣＰU同步通信；并可采用突发方式,一次传送多个字节的时钟信号和RAＭ数据.实时时钟提供秒、分、时、日、星期、月和年的数据。一个月小于３１天时，可以自动调整,且具有闰年补偿功能。其工作电压宽达2．5~5.5Ｖ,采用双电源供电；可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电源充电的能力。DS1302为双列8引脚器件。Ｖcc１为主电源，Vcc2为后备电源.当Ｖcc2＞Vcc１+0．2时，由Vcc2向DS1302供电；当Vｃc2<Vcｃ1时,由Ｖcｃ1向DS1302供电.SＣLK:串行时钟输入。ＲST：复位／片选。上电运行时,在Vcc2≥2．5V前，RST必须保持低电平。只有在SＣLK为低电平时,才能将ＲSＴ置为高电平.当RＳＴ为高电平时,所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。Ｘ1和X2:时钟输入与输出，外接３2。768ｋＨz晶振.GND：接地.DS130２是SＰＩ总线驱动方式。要向寄存器写入控制字才能传送数据。如图2-3所示,DS130２应用时常用外接32.７68ＭHz晶振芯片提供计时脉冲，其5角,7角,6角分别与单片机I/O引脚连接。8角接后备电源。图2—3DＳ1302与单片机连接图数码管显示电路数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，是单片机系统中最常用的一种显示输出，主要用于单片机控制中的数据输出和状态信息显示。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“８"可分为1位、2位、４位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COＭ）的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM）的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COＭ接到地线GＮD上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮.这次设计用了6位LEＤ显示器，如下图２—8所示为ＬED显示器的符号图。图2-8LＥＤ显示器符号图整体原理图下图2—5为数字钟的整体原理图分别由数码管显示，单片机系统，以及DS1302时钟电路和按键电路组成。图2－９数字钟整体原理图2。6软件流程图这次的数字钟设计用到了很多子程序，它们的流程图如下所示。主程序是先开始，然后启动定时器，定时器启动后再进行按键检测，检测完成，就可以显示时间。流程图如下2-４所示。图2—4主程序流程图按键处理是先检测秒按键是否按下，秒按键如果按下，秒就加1;如果没有按下,就检测分键是否按下，分键如果按下,分就加１；如果没有按下,就检测时按键是否按下，时按键如果按下,时就加1；如果没有按下,就把时间显示出来。如图２—5所示为按键处理流程图。图2－5按键处理流程图定时器中断时是先检测１秒是否到，1秒如果到，秒单位就加1;如果没到，就检测１分钟是否到,1分钟如果到，分单元就加1；如果没到，就检测1小时是否到，1小时如果到,时单元就加1，如果没到,就显示时间.如下图2-6为定时中断流程图。图2-6定时器中断流程图时间显示是先秒个位计算显示,然后是秒十位计算显示，再是分个位计算显示，然后再是分十位显示，再就是时个位计算显示，然后是时十位显示.如图2—7为时间显示流程图.图2—7时间显示流程图3。PCＢ设计与开发工具３.１PＣB简介PCＢ(PrinteｄCircｕｉtBｏard)，中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一.PＣＢ应用十分广泛。它提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性，如特性阻抗等；同时为自动锡焊提供阻焊图形,为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。3．2PCB的特点PCB之所以能得到越来越广泛地应用,因为它有很多独特优点,概栝如下。可高密度化。数十年来，印制板高密度能够随着集成电路集成度提高和安装技术进步而发展着。1、高可靠性。通过一系列检查、测试和老化试验等可保证PＣB长期(使用期，一般为20年)而可靠地工作着。2、可设计性。对PCB各种性能（电气、物理、化学、机械等)要求,可以通过设计标准化、规范化等来实现印制板设计，时间短、效率高。3、可生产性.采用现代化管理,可进行标准化、规模（量）化、自动化等生产、保证产品质量一致性。4、可测试性。建立了比较完整测试方法、测试标准、各种测试设备与仪器等来检测并鉴定PCB产品合格性和使用寿命.5、可组装性。PCB产品既便于各种元件进行标准化组装,又可以进行自动化、规模化批量生产。同时,PCB和各种元件组装部件还可组装形成更大部件、系统，直至整机。6、可维护性。由于PＣB产品和各种元件组装部件是以标准化设计与规模化生产，因而,这些部件也是标准化。所以，一旦系统发生故障，可以快速、方便、灵活地进行更换,迅速恢服系统工作。当然,还可以举例说得更多些.如使系统小型化、轻量化，信号传输高速化等。3.3DXP设计平台DＸP不是单纯的ＰCB设计工具，而是一套由五大模块组成的系统软件,它们分别是SCH(原理图）、SCH仿真、PCB设计、AuｔoＲouter（自动布线器）和ＦＰＧA设计，覆盖了以PCＢ为核心的整个物理设计。DXP作为新推出的优秀的电子CAD设计软件，具有以下特点：通过设计文件库包括的方式,将原理图编辑、电路仿真、PCＢ图设计以及打印这些功能有机地结合在一起,提供了一个集成开发环境.2、提供了混合电路仿真功能，为设计者检验原理图电路中某些功能模块的正确与否提供了方便。3、提供了丰富的原理图元件库和PCＢ封装库,并且为设计新的器件封装提供了封装向导程序，简化了封装设计过程。4、提供了强大的查错功能。原理图中的ERC(电气法检查）工具和PCB图的DRC(设计规则检查）工具能帮助设计者更快地查出和改正错误。５、提供了层次原理图设计方法,支持“自上向下”的设计思路,使大型电路设计的工作组开发方式成为可能。６、全面兼容Protel系列的版本设计文件，并提供了与OｒCAD格式文件的转换功能.4.数字钟的ＰCB设计流程4.１新建PＣB工程在DXＰ设计环境下，单击菜单命令,从子菜单中可以选择建立项目元件，并将图纸大小设为A4，并设置好标题栏如图4-1所示.图4-１标题栏设置好标题栏后选择元器件并列出物料清单。如图4－2所示。图4－2物料清单４．2原理图元件的绘制在用DＸP绘制原理图时，需要放置各种各样的元件原理图。而AD内置的元件虽然很完备，但是难免会遇到找不到你需要的元器件的时候。因此在这种情况下我们便需要自己创建元件的.AD提供了一个完整的创建元件的编辑器,使我们能够根据自己的需要进行编辑或者创建元件。根据需要，在进行原理图绘制时,缺少数码管、时钟芯片DS130２和单片机最小系统元件原理图符号。建立原理图元件库数码管原理图、时钟芯片DS1３02和单片机原理图元件文件。（1)数码管的原理图元件绘制查找资料，数码管引脚图如下4－3所示。图4—３数码管引脚图位置显示图如图4－4为数码管各点的尺寸距离.图4-4数码管各店的尺寸距离依照数码管引脚图位置和数码管各点的尺寸距离绘制数码管原理图.下图4—5为绘制好的数码管原理图图４—5数码管原理图（２)DＳ130２原理图元件绘制查找资料，时钟芯片DS1３０２引脚图如下图４-6所示。图４-6ＤS130２引脚图按照引脚图绘制原理图文件如图4—7所示.图４-7DS1302原理图(3）单片机原理图元件绘制ＡT89C5１单片机为40引脚的集成芯片VCC(4０)。查找资料，单片机引脚图如下图4-8所示.图4－8单片机引脚图按照引脚图绘制原理图文件如图4—9所示.图4—9ＡT８９C5１单片机原理图４．３封装库设计建立新元件画面单击PCB元件库管理器中的Aｄd按钮，或执行菜单命令TooｌsNewCｏｍpoｎent，系统弹出CoｍpｏneｎtWiｚａrd对话框，单击Canｃｅl按钮,则建立一个新的编辑画面。放置焊盘。执行菜单命令Plａce按钮.光标变成十字形,并带有一个焊盘。移动光标到坐标原点，单击鼠标左键放置第一个焊盘。双击该焊盘,在弹出的焊盘属性设置对话框中，设置Dseignatoｒ的值为1。按照焊盘的间距要求，放置其它焊盘。利用焊盘属性对话框中的全家编辑功能，统一修改焊盘的尺寸。焊盘设置方法如下图4—10所示。图4-１０焊盘参数元器件焊盘设计规则:(1）对稳性—-—－两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡。(2）焊盘间距—－-—确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸.(3）焊盘剩余尺寸—－—-搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。（4）焊盘宽度－-——应与元件端头或引脚的宽度基本一致。2、绘制外形轮廓放置完焊盘后，绘制元件封装的外形轮廓。设置元件参考坐标执行菜单命令，选择引脚为参考点。用鼠标左键单击PCB原件库管理器中的Reｎame按钮，弹出重命名元件对话框。在对话框中输入新建元件封装的名称,单击ＯＫ即可。六位数码管封装DS1302封装信息:DS1３０2的封装类型有：S0８(两种尺寸），PDIP8.DS１302Ｎ的封装为：类型：PＤIＰ引脚:８尺寸：300ｍilsDS130２封装为每个形成的元件添加封装后，最终原理图库如图所示。在画元器件时，绘制好元器件好,我们应建立自己的元件库，方便下次寻找使用。封装元件库清单４。４绘制原理图六位数码管原理图单片机最小系统原理图时钟电路原理图总原理图4。5原理图的PＣB设计为了使PCB板能布局布线合理，能合理完成元器件的放置,采用双面板，选择９４mm×80mm尺寸，防止PCB板设置定位孔的时候或者放置元器件的时候,保持距离到板子边沿1.８mm.图４-１１布线规则如图３－7所示为布线的最小间距规则,为保持安全距离,设置最小间距为12mil。图4—12最小间距规则4.6生成PCB最后检查其错误并改正生成PＣB文件。再次检查其错误，并改正。将导入的元件进行手动布局。图４-１3是完成元件布局的PCB图。图４-１３ＰCＢ的布局４。7布线在ＰCB设计中，布线时完成产品设计的重要步骤,可以说前面的准备工作都是为它而作的。在整个PCB中，ＰCB布线有单面布线，双面布线及多层布线.在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰.必要时应加地线隔离,两相邻层的布线要相互垂直，平行容易产生耦合。如图4－１4为数字钟的PCB布线图。图4－14ＰCB布线图总结数字钟用途及其广泛，在电子产品中随处可见，它的重要性不言而喻。数字钟是人们日常生活中常用的计时工具，广泛应用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所。而数字式电子钟又有其体积小、重量轻、走时准确、结构简单、耗电量少等优点而在生活中被广泛应用,因此本次设计利用单片机设计一个简单数字钟，并作出数字钟的PCB设计。本次设计的数字钟具有时、分、秒计时的数字钟电路，设计采用2４小时制.更添加了后备电源，以便在断电时能提供电源保持单片机的运行。并能在6位LED数码管显示时、分、秒的计时值。设计完成后利用DＸＰ对其进行元器件的封装.通过这次设计,让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，加强了我们动手、思考和解决问题的能力.在此次的数字钟设计过程中,我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法,巩固和加强了课本知识。虽然这次的设计基本达到了设计要求，但是还有改进的空间,只要我们对其进行不断的优化、改进,能使数字钟更接近我们的生活。通过本次毕业设计,我明白了一个道理：无论做什么事情，都必需养成严谨，认真,善思的工作作风。我相信通过这次的毕业设计之后，我会更加努力，用严谨的科学态度去面对一切。认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。参考文献［1]童诗白，模拟电子技术基础M.高等教育出版社.２01２。［2]谢自美，电子线路设计·实验·测试(第三版）.华中科技大学出版社.２014.［３］阎石,数字电子技术基础．高等教育出版社．２012.［4]朱清惠、张枫蕊、翟天嵩、王志奎，Pｒoteｕs教程—电子线路设计、制版与仿真。清华大学出版社。2010。[5］李良荣,EWB9电子设计技术．机械工业出版社。201２．［6]黄均鼐、汤庭鳌,半导体器件原理.复旦大学出版社.20１２。＊*＊＊＊＊＊****＊**＊＊＊实践教学＊**＊*＊＊＊＊*＊＊＊**＊*＊＊题目：基于MATLAB的数字电子琴设计专业班级：姓名:学号：指导教师：成绩：摘要本次课设的任务是基于MATLAB设计一个数字电子琴,首先实现数字信号发生器的设计。数字信号发生器是一种基于软硬件实现的波形发生器，可以实现各种基本波形的产生。在工程的各种复杂信号是由这些基本信号叠加产生，因此它在工程分析和实验教学中有着广泛的应用，可用MATLAB实现。MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的数据采集工具箱为实现数据的输入和输出提供了十分方便的函数和命令，在数字信号处理方面方便实用.本文首先详细介绍了基于MATLAB的数字发生器的设计过程，实现了简单波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声、脉冲、阶跃）信号的具体实现方法。其次介绍了利用该数字信号发生器产生的正弦波信号和声卡设计的简易电子琴.关键词：MATLAB;数字信号发生器;简易电子琴目录TOC\o"1-2”\h\uHYPERLINK\l”_Toc393375326"前言1HYPERLINK\l”_Toc393375327"一、数字信号发生器2HYPERLINK\l”_Toc393375328"1.1图形用户界面的简介2HYPERLINK\l”_Toc393375329"1.2设计流程2_Toc393375332"2.1简易数字电子琴的简介6HYPERLINK\l”_Toc393375333”2.2实现原理6三、基于MATLAB的仿真及结果分析8HYPERLINK\l”_Toc393375335"3.1GUI界面8总结19HYPERLINK\l”_Toc393375339"参考文献20_Toc393375341”致谢34前言MATLAB（矩阵实验室）是MatrixLaboratory的缩写，是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级计算机语言和交互式环境.MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数图像和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域.Matlab环境下的图形用户界面（GUI)是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面，可在图形用户界面内根据需要搭建图形，并对控件的回调函数进行编写,完成最完整的GUI界面编辑即可运行。本文主要利用MATLAB的图形用户界面设计数字信号发生器，在数字信号发生的基础上实现简易电子琴的设计。信号发生器又称信号源或振荡器，是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的仪器，数字信号发生器只是信号发生器的一种,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用.信号发生器按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。能够产生多种波形，如正弦波、三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、阶跃信号、脉冲信号的电路被称为函数信号发生器。本文设计了一种基于MATLAB图形用户界面的可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声、脉冲信号、阶跃信号的虚拟数字信号发生器。一、数字信号发生器1.1图形用户界面的简介图形用户界面即GraphicalUserInterface，简称GUI，又称图形用户接口。Matlab环境下的图形用户界面(GUI）是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面.用户通过一定的方法(如鼠标或键盘）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等.MATLAB的用户，在指令窗中运行demo打开那图形界面后，只要用鼠标进行选择和点击，就可产生丰富的内容。对图形用户界面的操作一般有两个部分，首先按照设计的原理、要求，根据需要选择适当的图形对象搭建合理的GUI界面；然后对每个控件的回调函数在M文件内进行编写,使搭建的GUI界面能够运行。数字信号发生器的设计所使用的工具即GUI界面,用到的图形对象有pushbutton、Aexs、Slider、StaticText、EditText。模拟了七种信号：正弦波、方波、三角波、阶跃信号、斜波信号、锯齿波以及白噪声信号。具体的实现原理如下。1。2设计流程根据设计的要求分析出数字信号发生器的GUI界面构图,然后在MATLAB的workplace界面中输入guide，打开GUI界面.在GUI界面中搭建好具体的数字信号发生器的界面，并对每个控件的回调函数进行编写、保存M文件。运行,若结果正确，再同一个GUI界面中搭建好电子琴的GUI界面，利用数字信号发生器产生的正弦波，对电子琴每个控件的回调函数进行编写、保存M文件。运行，观察仿真结果.若数字信号发生器的仿真结果不正确,检查控件的回调函数，修改并保存M文件,再次运行观察仿真结果。具体的设计流程图如下：1.3波形实现的基本原理1.3.1正弦波的实现正弦信号的数学表达式如下：(1.1）其中：为幅值；为频率;为相位。在MATLAB中,由于处理对象均是离散的数字信号，将时间变量离散化并构造成一个一维数组用其中：为采样频率。但的值不能太大，否则波形显示会很慢。相应的正弦波信号的数字信号表达式为（1。2）幅值、频率、相位参数可以由用户界面上的滑动条或编辑框输入。在分别得到与的离散值后,用plot作图函数即可获得相应波形显示。1。3。2方波信号的实现方波信号的数学表达式为（1.3)该式可直接生成一个周期为,峰值为，占空比为的方波信号，的默认值为50％。在MATLAB中可得到幅值、频率、相位可调的方波信号函数（1.4)1。3.3三角波信号的实现在MATLAB中，可以用函数直接生成一个三角波信号，该函数可生成一个周期为,峰值为,最大值出现在位置的三角波。利用该函数,可得到幅值、频率、相位可调的三角波信号函数(1。5）1。3.4锯齿波信号的实现由于锯齿波信号与三角波信号相似，所以将函数中的参数值设为1，可得到锯齿波。该函数得到的幅值、频率、相位可调的锯齿波信号函数（1。6）1。3.5脉冲信号的实现由于脉冲信号与方波信号波形相似，用方波信号函数函数为基础,将其函数值加1，可得到最大值为2,最小值为0的脉冲波形,原函数的参数可用来调节脉冲的宽度。用该函数，得到幅值、频率、相位可调的脉冲信号函数。(1.7）1。3。6阶跃信号的实现由于阶跃信号比较特殊，可用函数直接表示，其函数表达式为(1.8）1。3.7白噪声信号的实现白噪声信号是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。白噪声的实现可借助于MATLAB中的函数，它的功能是产生一个均值为0，标准差为1的随机数列或矩阵函数，可得到一个均值为0,标准差为的维的随机矩阵。二、电子琴的实现2。1简易数字电子琴的简介在设计界面中包含A、B、C、D、E、F、G共7个琴键，由于低音频率区分不是很明显,此次课设选择的是中音频率，其中每个按键对应一个频率的正弦波信号，各按键对应的信号频率分别为392、440、494、523、587、659、698、784Hz。当用鼠标按下相应的键时发声,松开时发声停止，然后将数字信号写入声卡的缓冲区，由声卡播放出相应的声音。当用鼠标按下对应的键时即可发出相应频率的声音。2.2实现原理电子琴的实现基于之前设计的数字信号发生器,选择数字发生器产生的正弦波信号作为发声及显示波形，由回调函数和数字信号发生器结合起来，实现对波形的调用。每个键对应一定的频率，在各个键的回调函数中设置好频率及频谱显示，实现每个键有自己特定频率的功能，为了使最终仿真结果更好,选择音阶中音调高的频率作为调试频率。当键按下的时候，首先由相应的键和数字信号关联起来，随后将数字信号写入声卡的缓冲区,由声卡发出相应频率的声音，并显示波形及对应频率的频谱图,当键松开时声音即停止.此次电子琴的设计实现了正弦波显示、频谱显示以及发声的功能,从而实现虚拟电子琴的模仿功能。具体的实现流程图如下：开始开始打开MATLAB打开MATLAB搭建电子琴的GUI界面搭建电子琴的GUI界面执行并观察仿真结果执行并观察仿真结果结束结束图2.1电子琴的实现流程图三、基于MATLAB的仿真及结果分析3.1GUI界面3.1.1搭建数字信号发生器的GUI界面搭建的GUI界面如下图3。1:图3.1数字信号发生器的GUI界面3。1.2电子琴的GUI界面.搭建的数字电子琴GUI界面如图3。2所示：图3。2数字电子琴的GUI界面G该界面主要由琴键组成,每个按键对应一定的频率,模拟电子琴的发声功能，它的波形显示及频谱图在数字信号发生器中。3.2编写M文件3。2。1数字信号发生器的M文件(1）正弦信号的实现由正弦信号的数学表达式可知在程序中用到的具体表达式为（3。1)将时间变量离散化并构造成一个一维数组,要求采样频率不能太大，否则波形显示会很慢（2）方波信号的实现用函数直接生成一个方波信号，程序中使用的具体函数为(3。2）(3)三角波的实现函数直接生成一个三角波信号，程序中用到的具体实现函数为（3.3)（4）锯齿波信号的实现具体的函数实现形式为（3.4）（5）脉冲信号的实现抽样频率为8000，时间范围为［0,1]，坐标抽为[0，a+1］。得到的幅值、频率、相位可调的脉冲信号函数。具体的函数(3.5）（6)阶跃信号的实现取1，A取1，t取[0，2］,时间间隔为/100。阶跃信号的函数表达式为（3.6）（7）白噪声信号的实现白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。白噪声的实现可借于MATLAB中的函数，产生一个均值为0，标准差为1的随机数列或矩阵该函数可得到一个均值为0,标准差为的维的随机矩阵.（3。7）3。3仿真结果数字信号发生器的仿真结果如下:正弦波的仿真结果图3.3数字信号发生器的正弦波波形方波信号的仿真结果图3.4方波信号的波形（3）三角波信号仿真结果图3.5三角波信号的波形阶跃信号仿真结果图3。6阶跃信号的仿真结果（5）斜波信号图3.7斜波信号的仿真结果（6）锯齿波信号的仿真结果图3。8阶跃信号的仿真结果（7）白噪声仿真结果（1）按键A的仿真结果图3。10按下A键,电子琴演奏时的效果（2）按键B的仿真结果图3.11按下B键，电子琴演奏时的效果（3）按键C的仿真结果图3.12按下C键，电子琴演奏时的效果总结本次的课程设计的任务是基于MATLAB设计一个数字电子琴，首先设计一个数字信号发生器。数字信号发生器和电子琴的搭建都是在GUI界面中进行搭建的，在GUI界面中搭建好具体的数字信号发生器的界面,并对每个控件的回调函数进行编写、保存M文件。运行,若结果正确，再同一个GUI界面中搭建好电子琴的GUI界面，利用数字信号发生器产生的正弦波，对电子琴每个控件的回调函数进行编写、保存M文件搭建完成之后对各个控件进行回调函数的编写.如果数字信号发生器的运行结果正确，则继续搭建电子琴否则修改直到正确为止。在本次的课程设计中，确实遇到了很多问题，但通过大家的帮助和自己的努力,最终实现所有的设计要求。本次课程设计也许还存在着一些不足，在以后学习生活中会更加努力，争取做得更好.参考文献[1]丁玉美.数字信号处理［M］。西安电子科技大学出版社，2003，3。［2］朱冰莲。数字信号处理［M］。电子工业出版社，2003，7。［3]程佩青。数字信号处理教程（第二版)[M］。北京：清华大学出版社，2001.[4]韩纪庆，张磊，郑铁然。语音信号处理[M]。北京：清华大学出版社，2004.［5]王济,胡晓.MATLAB在振动信号处理中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社:知识产权出版社，2006.［6]周祥才,杨铮.基于MATLAB的信号采样与重构的实现［J].实验技术与管理，2007,24［7］张志涌等．精通MATLAB［M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．[8］车子萍。基于Matlab的虚拟信号发生器设计［J]。电脑学习，2010。1.［9]李益华。MATLAB辅助现代工程数字信号处理（第2版）。西安：西安电子科技大学出版社，2010［10］杨洁芳.基于MATLAB与声卡的低频信号发生器的设计与实现。电脑学习，2006附录：functionpushbutton16_Callback（hObject，eventdata,handles）Fs=8000；t=（0：2000)/Fs；pit=2＊pi＊t；a1=523;y=sin(a1*pit）；axes(handles。axes1）；plot(t,y);title（’时域波形'）xlabel(’t’)ylabel(’y’）axis（［0，。01,—2,2］）axes（handles。axes2）;f=fft(y,1024);f1=fftshift(f）;w1=513：1024；w=4000*(w1-512）/512;F=abs（f1(513:1024))；plot（w,F）;title(’频谱图’）xlabel（'w’)ylabel(’F（w）'）sound（y）;functionpushbutton24_Callback(hObject，eventdata,handles）Fs=8000；t=（0：2000）/Fs;pit=2*pi＊t；a2=587；y=sin(a2*pit）;axes(handles.axes1）；plot（t，y）；title（'时域波形'）xlabel('t'）ylabel（'y’）axis(［0,.01，—2,2］）axes（handles.axes2）;f=fft（y,1024)；f1=fftshift（f)；w1=513:1024；w=4000*（w1-512)/512；F=abs(f1（513：1024));plot（w，F）；title（'频谱图')xlabel（’w’)ylabel（’F(w）')sound(y）；functionpushbutton25_Callback(hObject，eventdata,handles）Fs=8000;t=（0：2000)/Fs;pit=2＊pi＊t;a3=659;y=sin(a3＊pit);axes（handles。axes1）;plot（t,y）;title('时域波形’）xlabel('t'）ylabel（’y')axis（［0，。01,—2，2］）axes(handles.axes2）；f=fft(y,1024);f1=fftshift(f);w1=513:1024;w=4000*（w1—512）/512；F=abs（f1（513:1024））；plot（w,F);title（’频谱图')xlabel（’w’）ylabel(’F(w)’）sound(y）；functionpushbutton26_Callback(hObject,eventdata，handles)Fs=8000；t=(0：2000)/Fs；pit=2*pi*t；a4=698；y=sin（a4*pit)；axes(handles.axes1);plot（t,y）;title(’时域波形'）xlabel（'t’)ylabel('y’)axis（［0，。01，—2，2])axes(handles。axes2)；faxes(handles。axes1）;plot(t，y）；title('时域波形')xlabel(’t'）ylabel（’y’）axis（[0，。01,—2,2]）axes（handles。axes2)；f=fft=0:1/fs：1。0;y=a*sin(2*pi＊(f*t+q/360）)；axes（handles.axes1);plot(t,y);title('时域波形'）；xlabel(’t’）；ylabel('y'）;gridon；axis（［0，。01，-2,2]）;allback（hObject，eventdata,handles）t=(0：pi/100：2＊pi）;t0=1;A=1；y=0*（t〈t0）+A*（t〉t0);endt=0：1/fs:1.0；y=randn(size（t））;title（’时域波形’）；plot(t，y）；title(’时域波形'）;xlabel(’t'）;ylabel（’y’)；gridon;axis(［0，Ts,—（a+1），(a+1)]）;functionslider1_Callback（hObject，eventdata，handles）w=get(hObject，'value');set(handles。edit1,’string’,num2str(w）)；functionslider1_CreateFcn(hObject，eventdata,handles）ifisequal(get(hObject，’BackgroundColor’）,get(0，’defaultUicontrolBackgroundColor'））functionslider2_Callback(hObject，eventdata,handles）w=get(hObject,’value'）；set(handles.edit2，’string',num2str（w));functionslider2_CreateFcn（hObject，eventdata,handles）ifisequal(get（hObject，’BackgroundColor')，get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor’）)set（hObject，’BackgroundColor'，[.9。9。9]）;endfunctionedit1_Callback（hObject,eventdata,handles)v=get(hObject，’string')；set（handles。slider1,’value',str2double（v))；functionedit1_CreateFcn（hObject，eventdata，handles）ifispc&＆isequal（get(hObject，’BackgroundColor’）,get（0,'defaultUicontrolBackgroundColor')）endfunctionedit3_Callback（hObject,eventdata,handles)v=get（hObject，'string’）；set（handles。slider3，'value’，str2double(v))；functionedit3_CreateFcn（hObject，eventdata,handles)get（0,'defaultUicontrolBackgroundColor'）)set（hObject,’BackgroundColor'，'white');end致谢本次课设，我遇到了很多问题,首先感谢我的课程设计指导教师老师在这段时间一直给我的支持与鼓励。认真负责的监督我们课程设计的进度，耐心的指导我们使我们能够按时的完成任务。同时还要感谢在设计过程中同学们尤其是同组成员给给了我很大的帮助,对我课设过程中不明白的问题给予了即使的、耐心的帮助,让我对此次课设涉及的知识有了更加深刻的把握。他们提出了许多宝贵的建议使我们的设计能得到更好的完善，也加快设计的进程.还有感谢学校为我们提供的良好实验环境以及充足的实验设备，为我们的设计和调试提供了很大的方便.在这段时间学到了很多，虽然由于自身的不足没有能够为系统提出更好的解决方案.但这对我来说绝对是一个非常宝贵的历练.从中我切身体会到了理论和现实的差距,只有真正动手去做才能发现问题.同时，小组成员相互商讨解决方案，发现设计中的不足之处，使错误得到了即使改正，在此衷心地感谢老师以及这几周的殷切指导以及同学们提出诸多宝贵意见真诚地道一声，谢谢！电子技术基础课程设计题目名称：直流数字电压表指导教师：唐治德学生班级:２014级11班学号:20144３63学生姓名：倪扶瑶评语：成绩：重庆大学电气工程学院2016年7月2日摘要随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便.本文通过对比三种直流电压表设计的方案,选择介绍的是基于ＩCL7１07数字电压表的设计。ＩCＬ7１07是集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用。ICL71０7是目前广泛应用于数字测量系统的一种31／２位Ａ/D转换器,能够直接驱动共阳极数字显示器，构成数字电压表,此电路简洁完整,稍加改造就可以构成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。本文设计应用了ICL７107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电,正确电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口,从而可以在显示器上看到所需要的结果.加上量程转换电路的设计，电路可以实现对0~1.999v,0～19。９９v，0～1９9.9v的电压测量。本文阐述了电路设计中具体的每一部分具体电路的结构和功能以及仿真实验和实物调试过程。目录TＯC＼o＂１－３”＼h\ｚ＼u一、设计目的ﻩPAGEREF_Ｔoc455２23619\h４ＨYPＥRＬIＮK\l＂_Tｏｃ455２23620”二、设计内容及要求 PAＧEＲEF_Toc4５522３62０＼h４HＹPEＲLINＫ\l”＿Toc45５2２3６21＂三、设计方案比较和选择 PAGEＲEF_Toｃ455２23621\h4HＹPERLＩNK\l”_Ｔｏc45５２23622"四、设计与分析ﻩPAＧＥＲEF_Ｔoｃ４552236２２\ｈ7HYＰＥRLＩNK\l”_Toc45５2２3６２3"4．１单元电路的设计 PＡGＥＲEF_Tｏｃ４５522362３\ｈ７4．1。1测量电路ﻩPAGEＲEF_Tｏc45５2236２4＼ｈ7ＨＹPERＬＩNＫ\l”_Ｔｏc4５5223625＂4.1．２双积分模数转换电路 PAGEREＦ＿Toc45522362５\h7４．1.3数码显示电路ﻩPＡGＥＲEF_Tｏc4５5２2362６\ｈ9ＨYPERLINK4。3器件选择ﻩPAGEREF_Ｔoc４5５2２365３\h１0五、电路仿真与工作原理ﻩＰAGEＲＥF_Toc45522３65４\ｈ1１5。１总电路图ﻩ２３6５5＼h11ＨYＰERＬINＫ\l＂_Toｃ45５223656”５．2仿真分析ﻩＰAGＥREF_Toc455２23６56\h１2５.3工作原理 PAGEREF＿Toc45522３６57\ｈ１2六、组装与调试 ＰＡＧEREF＿Toc455２23658\h15ＨＹＰERLINK6。1系统调试 PＡGERＥF_Tｏc45５223６59\h166。1．1调试仪器ﻩPAGERＥF＿Tｏc45522３660\ｈ16HＹＰERＬＩＮK\l＂_Toc455２23６61”６.1。２调试方法 PAＧERＥＦ_Toc４55２23661\h1６HYＰEＲLＩNK附件1 PＡGERＥＦ_Toc455２２3668\h20一、设计目的掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分A／D转换器件的设计方法。掌握常用数字集成电路的功能和使用。二、设计内容及要求设计直流数字电压表。直流电压测量范围:0Ｖ～1。９99Ｖ，０V~１9.99Ｖ，0V~１99。９Ｖ。直流输入电阻大于100kΩ。画出完整的设计电路图，写出总结报告.选做内容：自动量程转换。设计方案比较和选择根据设计要求和查阅资料我们拟定了如下三个设计方案：方案一:主要ADC０8０９转换芯片和51单片机主要采用AＴ８9C5１单片机为核心处理，采用ADC０８09转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换,单电源供电。数字电压表的系统框图如图１所示，通过测量电路将连续的模拟电压信号经过A/D转换器转换成二进制数值,再经由单片机软件编程转换成十进制数值并通过显示屏显示。本方案需要进行单片机的编程，由于我们在这方面专业知识尚不熟悉，所以不采用本方案。图１方案二:主要使用ＭC1443３芯片由集成双积分模数转换器ＭＣ144３3构成的直流电压表电路如图2所示。ＭC1403提供稳定精确的2V基准电压.MＣ145４３是显示译码驱动电路.直流输入电压范围是0V～2V。增加测量电路和量程转换电路可实现本课题要求。图2MＣ１4433直流电压表电路图ＭC14433的性能特点有：（1）MＣ1443３属于CMOＳ大规模集成电路,其转换准确度为±0.05％.内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程（ＯR）、欠量程（UＲ)信号，便于实现自动转换量程。能增加读数保持(ＨOLD)功能。电压量程分两挡:２０0ｍＶ、2Ｖ，最大显示值分别为１9９。9ｍV、1.９99V。量程与基准电压呈1∶1的关系，即ＵM=UREF.

（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式,通常选用共阴极LED数管。

（3）有多路调制的BＣＤ码输出,可直接配μP构成智能仪表。

(４）工作电压范围是±4．5

Ｖ~±8V，典型值为±5V,功耗约8ｍW.方案三:主要采用ICL7107芯片图3为方案三ＩＣL710７直流电压表的电路图。直流输入电压范围是0V~2V。增加测量电路和量程转换电路即可实现本课题要求。

本方案主要特点是：(１)ICL710７是３1/2位双积分型A/Ｄ转换器，属于CＭOＳ大规模集成电路，它的最大显示值为士1９9９，最小分辨率为100uＶ，转换精度为0。０５士１个字.（2)能直接驱动共阳极的LEＤ显示器，不需要另加驱动器件,使整机线路化。采用士５V两组电源供电,并将第２1脚的GＮD接第30脚的ＩＮ。（3)能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。（4）LＥＤ属于电流控制器件，在3

１／2位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片本身功耗较小。(５）显示亮度较高，噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长.图3ＩCＬ7１07直流电压表的电路图方案二和方案三中的直流数字电压表设计均由测量电路、双积分模数转换电路、数码显示电路和量程转换电路组成，不需要单片机的编程,原理框图如图４所示。测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量,送数码显示电路显示测量值.图4进一步对比图2和图３中两种方案的电路图发现ICＬ１７07整机组装更为方便,无需外加有源器件,配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头.综上分析,本次设计将采用方案三,即主要以ＩCＬ710７芯片和共阳极半导体数码管LED组成电路的方案.设计与分析4．１单元电路的设计4.1．１测量电路因为ＩCＬ７１０7直流电压表的直流输入电压范围是0V～2V,所以要实现测量0Ｖ~１.999Ｖ,0Ｖ～19．９9Ｖ,0V~199.9Ｖ范围的直流电压的功能,需要在测量电路中对直流电压进行分压。测量电路如图5所示.当输入电压为0V～1.999V时，满足ICL７107输入电压的范围，不需要分压输出.当输入为0V~19．99V时，需要分压输出10％的电压。当测量输入电压为０V~１９９。9Ｖ时,需要分压输出１％的电压。根据分析测量电路需要用电阻值之比为1:9:90的电阻进行分压，本次设计采用的是１0k，90k,900k的电阻,输出接单刀三置开关。图5测量电路4.1．2双积分模数转换电路ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图6所示。模数转换过程分3个阶段，如图7。自动０校准（保证积分器输出为零）,定时积分(信号积分),定压积分（反向积分)。数字和逻辑控制见图７。通过外接电阻电容产生周期时钟信号，在其16０0０脉冲周期完成一次模数转换.图６模数转换原理图７数字和逻辑控制图8ＩCL７1０７引脚图集成双积分模数转换器ICL７１０7的引脚如图8所示。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端;第3４脚Vｒ＋和３5脚Vｒ－为参考电压正负输入端；第３1脚ＩN+和30脚ＩN-为测量电压正负输入端；Cｉｎt和Rinｔ分别为积分电容和积分电阻,Caｚ为自动调零电容,它们与芯片的27、28和29相连,电阻Ｒ1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口CＬＫ，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间(因为测量周期总保持4000个Ｔcp不变)以及测量的精度.器件的输入电压范围是０V~Vreｆ,Ｖｒef是基准电压（2Ｖ）,从ＩNＨＩ和INＬＯ引脚输入。输出数字量直接驱动4个共阳极ＬＥD数码管。千位数码管段信号：AＢ4和负POＬ。百位数码管段信号:A３～Ｇ3.十位数码管段信号:A2～Ｇ2。个位数码管段信号：A1～G1。４．1.3数码显示电路本次设计的直流电压表的数码显示将使用4个共阳极的LＥD数码管。由于ICL710７芯片能直接驱动共阳极的LED显示器，不需要另加驱动器件，所以在本次设计的中直接将芯片的千位数码管段信号、百位数码管段信号、十位数码管段信号、个位数码管段信号分别驱动代表千位、百位、十位、个位的四位数码管。4．1.4量程转换电路量程转换电路实现小数点驱动，在不同量程时驱动数码管不同位数的小数点位。小数点驱动电路如图9所示.三个运放负端接测量电路输出，正端分别接不同量程的分压电阻。三个运放输出后经过两个两输入的与非门7４LS00,再经过三个三输入与非门74LS１0做逻辑运算后控制数码管千位、百位、十位的小数点位低电平有效显示。图９量程转换电路4.2分析计算在上述量程转换电路中,需要将三个运放比较所得电压高低电平输出进行逻辑运算，驱动不同量程时数码管小数点显示的位置。在单刀三置开关选择最下面一档,即测量直流电压为１～１９9。9V区间时，十位小数点亮，千位、百位小数点暗.当开关选择中间档位，即测量直流电压输入为1～19。99V区间时，百位小数点亮，千位、个位小数点暗。当开关选择最上面一档，即输入直流电压为1～1。999V区间时，千位小数点亮,百位、十位小数点暗。根据以上小数点驱动电路要求,设千位、百位、十位小数点输出分别为Dp1，Ｄp２，Dｐ3，可以列出表1。待测电压输入运放1运放２运放3Dp1Dp2Dp３１～1。999V高低低低高高1~19．99V高高低高低高1~199.9V高高高高高低表14．3器件选择本次实验选择的器件如下表2。器件名称基本参数数量ICL７1０７双积分A／D转换1A10－50AＡ5档旋转开关1电容0．１uＦ，0。47uF0.22uF,0。02uF，10０pＦ每种１电阻2４k，４7k,1００k,1ｋ，1Ｍ，900k，90k，1０k每种11k电位器1LEＤ数码管(红）共阳极极4LM3244运放１表2五、电路仿真与工作原理5.1总电路图根据实验室所提供的器材，我们用Protｅuｓ软件设计的直流电压表的仿真图如图10所示。图１0仿真电路图5。2仿真分析本设计采用ICＬ7１07作为数字电压表的Ａ/Ｄ转换及锁存和译码模块，使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。该系统能够实现０~１99。9V、0～1．999V、0~19。99V量程电压值的测量。在进行仿真实验中，改变输入电压值作为测量的直流电压,更换到正确的档位,数码管显示测量的电压值，经过调试,与设定的电压值相比测量电压值在误差范围之内。在仿真实验过程中我们遇到了小数点不能按要求准确显示和电压测量精度不够高的问题。针对小数点不能正确显示的问题，我们更换了运放，并利用Proｔeus软件在仿真时对高低电平的直接显示的逻辑运算进行了重新的分析，并再次连接了电路图，实现了不同范围电压输入显示不同位数的小数点。针对测量精度不准的问题，我们调整了3５脚的电位器和它所连接的电阻R1,重新设置了基准电压，将误差控制在1/１0００的范围内.5．３工作原理从V1端输入待测电压，根据不同测量档位的选择，经过量程转换电路后输出正确的小数点位数。下面部分经过LM324直流稳压电源输入稳定的电压后输入ICL710７芯片,进行双积分A／D转换.模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。双积分模数转换器（AＤC)是间接型ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度,在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量.图1１是双积分ＡＤC的电路原理图.电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压—VREＦ做定压积分.与—ＶＲEF电压极性相反，这里设取样电压为正，则—ＶＲEＦ为负。图11图11双积分ADC电路原理图JQC1KRQ0Q1…Qn-1CPn位二进制R计数器++AC&CPS-VREFLSBMSBD0D1Dn-10RCS1S2OtQSOtSOtQST1T2OtS1选S1选-VREF计数进位回0时刻图12双积分ADC工作波形1。定时积分在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分.启动信号Ｓ输入负窄脉冲（S＝０),使计数器、JＫ触发器QS清零，开关Ｓ１选择取样电压作积分器输入。同时开关Ｓ2闭合，使积分电容放电，=０。负脉冲消失后(S=１），开关S２断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，,比较器输出逻辑１。允许n位二进制计数器对周期脉冲CP计数。当进位C=１时,下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS=1,定时积分结束，定压积分开始。取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲CＰ的周期为TＣP。则对取样电压的积分时间Ｔ1为：T1＝２nTCP，是确定不变的。积分器输出电压为：积分器输出电压与时间成线性关系,其斜率是负的,与取样电压和积分器的时间常数RＣ有关.越大,负斜率也越大.定时积分的工作波形如图12所示，图中绘出了2个取样电压的情况。定时积分结束时的积分器输出电压为与取样电压成正比.２。定压积分在定时积分期间，当计数器的进位C=1时,下一个CＰ脉冲使计数器复零和JK触发器QS＝1，开关S1选择基准电压－VＲEＦ，积分器开始对基准电压—VRＥF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从０继续计数。与此同时，积分器输出电压上升积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。定压积分的工作波形如图1１。3。９所示。当时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果BＺ(通常为自然二进制数)。从定压积分开始到计数器刚停止计数（）的时间T2为并且,在计数器停止计数时刻,积分器输出电压为0，即所以定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲CＰ计数,直到停止并保持计数值BＺ。所以计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步,导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为双积分ADC的单位模拟电压LSＢ为组装与调试由仿真电路绘制的PCB图如下图１3所示。图１3PCB图将制作好的PCB版焊上元器件后，实物图如图14所示。图14实物正反面６。1系统调试6。1。1调试仪器可调直流电源，可调范围：0~2００V；万用表,精度：0。１mV。6．1。２调试方法(1)数码管显示调试:接+5V供电电源，将37脚（TＥＳT）接+5V，数码管各段及百位小数点均点亮,说明显示正常。(2)量程转换调试：拨动三个单刀双置开关，选择不同的量程测量，若在三个量程分别显示千位、百位、十位的小数点,说明小数点驱动电路正常工作。(3）电压测量调试:用该表测量一电压，再用万用表测量，分别记录电压值。（４)用电位器调试：首先用整数的电压测量,观察是否能正常测量；然后调节电源电压到小数量程的电压值进行测量,观察是否能正常测量.６.１。3测试结果分析通过测量比较发现该电压表能够更为准确地测量出直流电压的数值,与万用表有一定的差异应是分压电阻和模拟开关的导通电阻引起的。在调基准电压10０ｍＶ时,由于５０Hz纹波影响，无法调到精确值而对最终显示电压产生影响，对于后两位数值跳动问题，通过在输入电源处并联一个０。1uF和一个４70uＦ电容，可抑制跳动，同时应增大接地线的截面积。6。２故障处理在实物调试中，我还遇到了许多故障和问题:PCＢ版绘制错误:第一次绘制的PCB版存在输入设备不完整的问题,我们根据需要首先在板子上对错误的线路进行了修改,包括隔断铜线和重新用导线连接.在最终没能解决问题的情况下，我们又重新修改了PＣB图，制作了新的PＣB板.器件脚大小不符:本次实物制作所使用的单刀双置开关因为引脚太大不能插入ＰCB板上的孔，所以我们用剪刀减掉了一半的引脚。电压表无法正常工作：电压表在测量电压时,只能显示１66６的错误数据.我们通过测量仿真上IＣL7107的35、36端引脚的电压差，得到电压表的参考电压,再在实物工作时进行测量。将实物的参考电压调整到与仿真情况一致或者接近.电源无法正常工作：当实验室的+-５ｖ电压无法正常工作时，我们选择了充电宝作为供电电源。使用两个充电宝，将插在两个充电宝上的两根UＳB线的正端和负端相连，剩下的那根正线即输出+5v，那根负线输出—５v。七、总结７。１设计电路优缺点这本次设计选择了IＣＬ17０7实现A/D转换直接驱动共阳极数码管，电路设计简单易懂。通过运放比较实现小数点驱动，简洁且稳定。整个电路设计美观简单，能够较为精确地进行直流电源的测量，加上绘制的PCB板同样简洁美观,制作出的直流数字电压表实物具有一定的实用价值，也可以供进一步研究使用。本次设计的电路还存在一定的不足之处，包括以下三点。第一,本次电路设计没有实现量程的自动转换，需要手动进行量程的转换.希望今后有机会可以进一步研究完成电压测量量程的自动转换.第二，本次电路设计在小数点驱动部门还不够简洁，设计思路限制在老师提供的器材LM32４当中,而没有思考更加简洁的电路设计方案。第三,本次设计电路没有考虑到实际制作当中的问题，包括与非门7４LS０0普遍存在问题，在画PCB用于实际使用时应该考虑使用74LS1０，这样就可以免除后来因为74LS０0不能正常工作而导致的问题。7。2收获与建议数字电压表是一种常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的。随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，包括一些工程上的测量，完成大规模集成电路的转换,应用于大规模的数字测量，实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用。本次课程设计我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中,数字电表基本原理简单，它也是一种比较法,对电容器在待测电压Vx与参考电压下的充、放电时间关系进行比较。了解了数字电表基本原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片.本次设计基于ＩCL７１07芯片、数字显计数器的应用，实现了简易美观，具有实用性的数字电压表的设计制作，锻炼了学生多方面运用专业知识和动手实践的能力。通过本次课程设计我学习到了很多平时在理论学习中所学不到的东西.首先，本次实验锻炼了我的分析题目要求,根据要求进行仿真和动手实践的能力。其次,在仿真设计和实物制作的过程中,我深刻地认识到了科学研究的反复性和前进性.再次，这次课程设计让我学会了仿真软件Ｐroteus的使用,温习了上学期所学了PCB板的绘制。在拿到题目后，我和自己的组员通过查阅资料确定了方案，在仿真设计中最开始只能完成测量数据的显示，无法正确地显示小数点的位置，于是我们又作进一步的分析试验。针对测量精度不够高的问题，我们也进行了分析和修改。在